Определение скоростей шаров

При абсолютно упругом столкновении шара массой m₁ (m = (111,67 ±0,04)·10^-3 кг), который движется со скоростью V₁, с шаром массой m₂ (m=(111,506±0,009)·10^-3 кг), который движется со скоростью V₂ (V₂<V₁,рис.2), поверхности их деформируются, но этот процесс обратим, так как форма шаров мгновенно восстанавливается, а энергия деформации без потерь превращается в кинетическую энергию движения шаров.

После удара шары будут двигаться с измененными скоростямиU₁ и U₂, определить которые можно с помощью законов сохранения кинетической энергии

и сохранения импульса (количества движения)

m₁V₁+m₂V₂=m₁U₁+m₂U₂, (2)

После несложных преобразований находят скорости шаров после удара

Если происходит встречный центральный абсолютно упругий удар (скорости шаров до удара имеют противоположные знаки), то необходимо учитывать знак скорости при вычислении соответствующих величин в выражениях (3), (4). При равенстве масс шаров (т₁ = т₂ = т) из (3) и (4) следует

U₁=V₂, U₂=V₁, (5)

т.е. первый шар приобрел после удара скорость, равную скорости второго шара, и наоборот. Если до столкновения один из шаров (например, второй) покоился (V₂ = 0), то U₁ = 0; U₂ = V₁).

После абсолютно неупругого удара тела совершают совместное движение (рис. 3), а кинетическая энергия соударяющихся тел частично переходит в другие виды энергии, и тела приобретают остаточную деформацию. При этом закон сохранения механической энергии системы не выполняется. Скорость U₁ после удара, как известно, можно определить, используя закон сохранения импульса и считая, что внешние силы отсутствуют, а масса системы после удара - т₁+ т₂:

Если первоначально тело было поднято на высотуh₁, то в момент удара его кинетическая энергия равна исходной потенциальной энергии (рис. 4): .

Скорости шаров после взаимодействия можно определить из условий

где h₂ и h₃ - высота подъемов второго и первого шара после взаимодействия.

Из этих соотношений следует

1) По измеренному значению угла a начального отклонения правого шара вычислить по формулам (7) и (9) его скорость U₁ при прохождении им положения равновесия.

2) Определить теоретические значения скоростей шаров после взаимодействия для случаев абсолютно упругого удара (формулы (3), (4) и абсолютно неупругого удара (формула (6)).

3) По измеренным углам отклонения шаров после их взаимодействия (β и γ) вычислить по формулам (8), (9) действительные значения скоростей шаров.

4) Сравнить теоретические и экспериментальные значения скоростей, дать объяснение полученным результатам.

Определение работы деформации при ударе шаров

При неупругом ударе часть механической энергии тел переходит в другие формы энергии (например, тепловую) и затрачивается на работу остаточной, деформации поверхности шаров. В этом случае полная энергия системы не изменяется, кинетическая энергия шаров после удара будет меньше, чем до удара.

Уменьшение механической энергии системы ∆W с достаточной степенью точности можно считать равным работе сил, создающих остаточную деформацию.

По закону сохранения энергии при столкновении реальных тел следует учесть работу деформации тел A, т.е. ту часть общей энергии, которая необратимо расходуется на совершение невосстанавливающейся деформации и преобразуется в энергию теплового движения молекул вещества:

Это уравнение позволяет определить работу деформации шаров равных масс (m₁ = m₂ = m), закрепленных на нерастяжимых нитях длины R. Если второй шар покоится (V₂ = 0), а первый - отклонен на угол α от вертикального положения (рис. 4), то (10) преобразуется к виду:

A=∆W=mg(h₁-h₂-h₃), (11)

где h₂ и h₃ - высота подъема второго и первого шара после удара. С учетом (9)

A=mgR(cosβ+cosγ-cosα-1), (12)

1) Вычислить кинетическую энергию шара в момент удара по измеренному значению угла a первоначального отклонения первого шара.

2) По измеренным значениям углов a, β и γ и длины подвеса шаров R вычислить по формуле (12) изменение механической энергии системы - работу деформации.